BÜTÜNLEŞİK ALÜMİNYUM KÖPÜKLERİN

BÜTÜNLEŞİK
ÜRETİMİ
ALÜMİNYUM
KÖPÜKLERİN
DÖKÜM
YÖNTEMLERİ
İLE
Ahmet GÜNER*, Mustafa M. ARIKAN*, Niyazi ERUSLU**
*AkdenizÜniversitesi, AlanyaMühendislikFakültesi, MalzemeBilimiveMühendisliğiBölümü,
Alanya, 07425, Antalya, Türkiye
[email protected]
[email protected]
**Yalova Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya ve Süreç Mühendisliği Bölümü, 77100,
Yalova, Türkiye
[email protected]
Özet
Bütünleşik köpük sistemi, polimer malzemelerde uzunca bir süredir başarıyla
uygulanmaktadır. Metal bütünleşik köpük döküm yöntemi, polimer enjeksiyon teknolojisinin
döküm teknolojisine transfer edilmesi ile metal dökümlerinde elde edilen yeni bir sistemdir.
Döküm yöntemi ile üretilmiş bütünleşik köpüklü metal, dış kısmında bir kabuk ve iç kısmında
köpüklü bir yapıya sahip olup, nihai şekilde malzemenin üretim maliyetini azaltmaktadır.
Elde edilen köpük malzemelerin otomotiv sektöründe kullanılması, sigorta firmalarınca
özellikle istenmektedir. Bu çalışmada bütünleşik alüminyum köpük sistemlerinin döküm
yöntemi ile üretim süreçleri detaylı şekilde tartışılacaktır.
Abstract
Integral foam system has been applied in the production of polymer materials for a long time.
Metal integral foam casting system is obtained by transferring and adapting polymer injection
technology. Integral metallic foam which is produced by casting has a solid skin at the surface
and a foamed core. Producing near net shape reduces the production expenses. Insurance
companies especially want automotive industry to use foamed metallic parts. In this paper
manufacturing processes of integral foam aluminum by casting will be discussed.
1.Giriş
Alüminyum köpükler düşük yoğunluk ve yüksek darbe absorbe etme özelliği başta olmak
üzere diğer özellikleriyle de farklı endüstri kollarında birçok kullanım alanı bulmaktadır.
Hücre yapısına göre açık ve kapalı olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Farklı kullanım alanları
metalik köpüklerin imalatının da gelişmesinesebep olmuştur. Metalik köpükler polimer
köpüklere göre geri dönüşebilme özelliğine, daha iyi mukavemet değerlerine ve sıcaklık
direncine sahiptirler [1-3].
Şekil 1:Döküm yöntemi ile üretilen alüminyum alaşımlarındaki kabuk yapısı ve iç
kısımlardaki köpük[4]
Döküm yöntemiyle üretilen metallerin diğer yöntemlerle üretilen metalik köpüklere göre en
büyük avantajı, dış yüzeyinde oluşan kabuktur (Şekil 1). Bu sayede gözenekleri açık değildir.
Korozyon, mukavemet gibi birçok özelliği diğer köpük sistemlerine göre üstünlük
göstermektedir.
Yüksek darbe absorbe etme ve ısı yalıtım özelliğinden dolayı en çok otomotiv ve uçak
sanayinde kullanım alanı bulmaktadır. Alüminyum köpüklerin diğer önemli özellikleri,
yüksek tokluk/ağırlık oranı, düşük yoğunluk, çatlak mukavemeti, on kat daha fazla enerji
absorbe etme, akustik absorbe etme özelliği, direk ateşe direnci, biyo uyumluluk ve yüksek
korozyon direncidir [5].
2.Alüminyum Köpüklerin DökümYöntemleriile Üretimi
Alüminyum metalik köpüklerin üretimi açık hücreli ve kapalı hücreli olmak üzere iki ana
grupta yapılmaktadır. Üretim yöntemleri alüminyum köpüklerin tane boyutunu, hücre şeklini,
homojenliğini ve kabuk yapısını etkilediği için nihai ürünlerin özelliklerine etki etmektedir.
Üretim yöntemine göre içerdiği gözenek miktarı değişmektedir. Farklı köpük metal üretim
yöntemleri ile üretilen alüminyum alaşımlarındaki gözenek miktarı % 5 -97 aralığında
olmaktadır. Deneme sürecinde olan birçok döküm yöntemi literatürde yer almaktadır.Döküm
yöntemi dışındaki yöntemlerle ticari olarak alüminyum köpük üreten firmaların(Cymat,
Alulight veAlporas gibi) döküm yöntemi ile metalik köpük üretimi çalışmaları da
bulunmaktadır. Bu yazıda bu yöntemlerden başlıcaları ele alınmıştır. Gaz oluşumunu takip
eden süreçte oluşan kabarcıklar çökme sürecine girerler. Çökmenin engellenebilmesi için sıvı
metale viskoziteyi arttırıcı katkı malzemesi ilave edilir ve genellikle SiC veya Al2O3 kullanılır
[5].
2.1.Kalıp Döküm Yöntemi ile Kapalı Hücreli Metalik Köpük Üretimi
Kalıp döküm yönteminde sıvı metalin içerisindeki gaz miktarı basınç haznesindeki gaz
basıncının arttırılması ile sağlanır (Şekil 2). Üretilmek istenen metale göre gaz seçimi yapılır.
Alüminyum ve alaşımları için hidrojen gazı kullanılır [6]. Kalıp döküm sisteminde yönlenmiş
katılaşma kullanılır. Böylece oluşan gaz boşlukları katılaşma yönüne paralel olarak oluşur. Bu
sistemin diğer bir kullanımı da soğutucunun silindirin yan yüzlerine uygulanmış halidir. Bu
durumda silindirin merkezinden itibaren dış yüzeyine doğru gaz boşlukları oluşacaktır. Bu
sistemde dışarıdan gaz yapıcı ajanlara gerek yoktur. Yan yüzeylerden soğutma işlemi
geliştirilerek sürekli döküme uygulanmıştır [7, 8, 9].
Şekil 2: Kalıp döküm yöntemi ile köpük metal üretimi [7, 8, 9]
2.2.Sürekli Döküm Yöntemi ileKapalı Hücreli Metalik Köpük Üretimi
Bir basınç haznesinin içerisinde bulunan metalin içerisindeki gaz miktarı, hazne içerisindeki
gaz basıncı ile ayarlanır. Standart sürekli döküm yöntemi ile üretim yapılır. Sıvı metal
içerisindeki gaz içeriği katılaşma sırasında sıvı metalin içerisinde boşluklar oluşturur. Bu
boşlukların oluşum mekanizması sıvı metallerdeki porozite oluşum mekanizmasıdır. Bu
sistemde boşluk oluşumu için dışarıdan ilave gaz yapıcı ajana gerek yoktur (Şekil 3) [10].
Şekil 3: Sürekli döküm yöntemi ile köpük metal üretimi [10]
2.3.Hassas Dökümle Metalik Köpük Üretimi
Hassas dökümde polimer köpük kullanımı yönteminde poliüretan malzemeden gözenekleri
açık polimer köpük üretilir. Polimer köpüğe ısıya dayanıklı reçine emdirilir. Bu işlemin
sonunda mum kalıp yöntemine benzer olarak polimer köpük ısıl işlem ile sistemden çıkarılır.
Böylece hassas dökümde doldurulacak olan boşluk köpük yapısı ortaya çıkar. Döküm
sırasında ince detaylara sahip döküm boşluğunun doldurulabilmesi için kalıp ısıtılır. Basınçlı
hassas döküm yöntemlerinden biri kullanılarak açık hücreli metalik köpük, döküm yöntemi ile
elde edilmiş olur. Bu yöntemin ticari adı DUOCEL’dir. 6101 ve A356 gibi alüminyum
alaşımları kullanılır [5, 10, 11, 12].
2.4.Yüksek Basınçlı Pres Döküm YöntemiyleMetalik Köpük Üretimi(HP-IFM)
Kalıp boşluğu tamamen dolduruluncaya kadar geçen süre standart basınçlı pres döküm
yöntemi ile aynıdır. Kalıp içerisini dolduran metal 10- 150 milisaniye bekleme süresinden
sonra, 200 - 500 milisaniye aralığında genişlemeye başlar. Bu genişleme süresi standart
sisteme göre biraz daha fazladır ve bu sırada oluşan basınç standart sisteme göre yüksektir.
Gaz ajanları olarak adlandırılan köpük yapıcılar toz takviye olarak ilave edilir. MgH2 ve TiH2
yaygın olarak kullanılmaktadır. Gaz ajanlarının seçiminde önemli olan çözünme sıcaklığı ve
çözünme süresidir. Sıvı metalin içerisinde bulunan gaz ajanları gaz oluşumunu başlatınca
kalıp içerisindeki basınç artmaya başlar [13].
Bu sistemin kontrol edilebilmesi için metal kalıbın bir yüzeyinin belirli bir miktar basıncı
düşürmek için döküm boşluğunu genişletecek biçimde kontrollü hareketi sağlanır (Şekil 4).
Şekil 4:Yüksek Basınçlı Pres Dökümde Kullanılan Hareketli Kalıp Sistemi, 1 numaralı parça
hareketli, 2 numaralı parça sabittir. [13]
Farklı Alüminyum ticari köpük metal üretim yöntemlerine ait mekanik özellikler tablo 1’de
verilmiştir. Bu yöntemler ile üretilen köpük metallerin mikroyapıları şekil 5’de verilmiştir.
Tablo 1: Alüminyum ticari köpük malzemelerin özellikleri [14]
Özellikler
Malzeme
İzafi yoğunluk
Yapı
Young Modülü [MPa]
Poisson Oranı, ν
Basma Mukavemeti
[MPa]
Çekme Mukavemeti
[MPa]
Kırılma Tokluğu
[MPa.m1/2 ]
Isıl İletkenliği [W /m.K]
Cymat
Alulight
Alporas
Al –SiC
0.02 - 0.2
Kapalı Hücre
0.02 - 2.0
0.31 - 0.34
0.04 - 7.0
Al-Mg-Si
0.1 - 0.35
Kapalı Hücre
1.7 – 12
0.31 - 0.35
1.9 - 14.0
Al-5Ca-Ti
0.08 - 0.1
Kapalı Hücre
0.4 - 1.0
0.31 - 0.36
1.3 - 1.7
Duocel,
ERG
Al 6061 T6
0.05 - 0.1
Açık Hücre
0.06 - 0.3
0.31 - 0.37
0.9 - 3.0
0.05 - 8.5
2.2 - 30
1.6 - 1.9
1.9 - 3.5
0.03 - 0.5
0.3 - 1.6
0.1 - 0.9
0.1 - 0.2
0.3 - 10
3.0 - 35
3.5 - 4.5
6.0 - 11
Şekil 5 : Farklı ticari üretim yöntemleri ile üretilmiş alüminyum köpükler[14]
3.Sonuçlar
Açık hücreli ve kapalı hücreli metalik köpüklerin kullanım alanlarının artması çok geniş bir
yelpazede üretim yöntemlerinde gelişmelere vesile olmuştur. Üretim yöntemlerinden
dökümyönteminin diğer yöntemlere göre avantajı karmaşık şekilli parçaların üretilebilmesi ve
üretim maliyetinin daha düşük olmasıdır. Kaliteli köpüklerin üretim maliyetleri kullanılan gaz
ajanlarından dolayı yüksektir. Bu maliyeti düşürmek için günümüzde farklı gaz oluşturucular
ile yapılan çalışmalar vardır. Buda yeni üretim yöntemi araştırmalarına öncülük etmektedir.
Yapılan çalışmalarda elde edilen bilgiler tam olarak gözeneklerin oluşum mekanizmasını
açıklayamamaktadır. Bununla birlikte ilave edilen gaz ajanları ile sıvı metal içerisinde gaz
oluşmakta, sıvı metalin içerisinde bulunan gaz miktarı ve ortamın gaz basıncı köpük
oluşumuna etki etmektedir. Elde edilen köpük metale parçacık ilave edilmediği takdirde daha
büyük gözeneklerin olduğu tespit edilmiştir. Bu gözenekli yapı sıvı metalin viskozitesinin
düşük olmasından dolayı kolayca bozulabilmektedir. Viskozitenin artması için sıvı metale
ilave edilen parçacıklar köpürme esnasında gözenek duvarının çökmemesine yardımcı olurken
belirli bir orandan sonra hücresel yapının oluşumuna olumsuz etki etmektedir. Üretim
yöntemlerine göre ilave edilecek parçacık cinsi ve miktarı değişmektedir.
4.Teşekkür
Bu çalışmaya,2014.01.0152.001nolu“Döküm Yöntemi ile İntegral Köpüklü Malzeme
Oluşturma” bilimsel altyapı projesi ile destek sağlayan Akdeniz Üniversitesi’ne teşekkür
ederiz.
Kaynakça
1) K. Y. G. Mccullough, N. A. Fleck And M. F. Ashby, “Toughness Of Aluminium Alloy
Foams”, Acta Mater. Vol. 47, No. 8, 1999, pp. 2331-2343
2) P. K. Pinnoji, N. Bourdet, P. Mahajan, R. Willinger, “New Motorcycle Helemts Wıth
Metal Foam Shell”, 2008 IRCOBI Conference Proceedings, 17 - 19 September 2008 -
Bern (Switzerland)International Research Council on the Biomechanics of Injury, Zurich,
449-452
3) Y. Sugımura, J. Meyer, M. Y. He, H. Bart-Smıth, J. GrenstedtAnd A. G. Evans, “On The
Mechanıcal Performance Of Closed Cell Al Alloy Foams”, Acta mater. Vol. 45, No. 12,
1997, pp. 5245-5259
4) J. Hartmann and V.Jüchter, FLOW-3D News: Summer 2012 - Application Note,
Department of Materials Science, Chair of Metals Science and Technology
(www.wtm.uni-erlangen.de), University of Erlangen-Nuremberg
5) Dr. Ing. C.Kammer, Goslar, “Aluminium Foam”, Training in Aluminium Application And
Technologies, TALAT Lecture 1410, Pp. 1-24
6) J. Banhart, H. Seeliger, “Aluminium Foam Sandwich Panels: Manufacture, Metallurgy
and Applications”, Advanced Engineering Materials 10(9), 2008, 793–802
7) T. Bum Kim, S.e Suzuki and H. Nakajima, “Effect of Conditions of Unidirectional
Solidification on Microstructure and Pore Morphology of Al-Mg-Si Alloys”, Materials
Transactions, Vol. 51, No. 3, 2010, pp. 496 to 502
8) G. JIANG, Y. LI, and Y. LIU, “Experimental Study on the Pore Structure of Directionally
Solidified Porous Cu-Mn Alloy”, Metallurgıcal And Materıals Transactıons A, Volume
41a, December, 2010, pp. 3405-2312
9) A. V. KUZNETSOV, K. VAFAI, “Development and investigation of three-phase model
of the mushy zone for analysis of porosity formation in solidifying castings”, Int. J.
Heat Mass Transfer. Vol. 38, No. 14, 1995, pp. 2557 to 2567
10) H. Nakajima, “Fabrication, properties and application of porous metals with directional
pores”, Progress in Materials Science 52, 2007, pp. 1091–1173
11) V. C. SRIVASTAVA, K. L. SAHOOXX, “Processing, stabilization and applications of
metallic foams. Art of science”, Materials Science-Poland, Vol. 25, 2007, No. 3
12) J. Banhart, “Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal
foams”, Progress in Materials Science 46, 2001, 559 to 632
13) C. Körner, M. Hirschmann and H. Wiehler, “Integral Foam Moulding of Light Metals”,
Materials Transactions, Vol. 47, No. 9, 2006, pp. 2188 to 2194
14) H. N. G. Wadley, “Cellular Metals Manufacturing”, Advanced EngineeringMaterials, 4,
No. 10., 2002